亚热带气候下流域水文动力学随机评估及其对低流量概率与环境水可用性的评价

《Water Research》：A stochastic assessment of basin hydrological dynamics for evaluating low flow probability and environmental water availability in subtropical climate

　　

摘要
了解流域水文动态至关重要，因为气候变化引发的极端事件和水资源过度利用减少了水资源的可用性。本研究表明，在气候变化背景下，整合环境流量 (E-flow)、可靠流量、干旱量化和低流量方法，可为评估亚热带流域的可靠水资源提供一个综合框架。本研究应用了坦南特方法、流量历时曲线集成概率模型、混合综合干旱指数 (CDI)、多种气候变化指标和低流量频率方法，发现环境流量存在显著的季节性和空间变率。入库流量经常无法满足生态阈值，尤其是在康萨巴蒂上游流域 (KBUC)。根据环境流量分析，在 KBUC 的湿季，健康河流流量和最小生存流量应分别为 44.67 和 22.34 m3/s，而观测到的入库流量仅为 14.46 和 6.88 m3/s。将流量历时曲线与概率模型相结合，能有效捕捉水文极端事件。对数正态模型 [KBUC 中 R2 = 0.994，科纳尔上游流域 (KRUC) 中 R2 = 0.990] 和 GEV 模型在季风期是可靠的，而 GEV (KBUC 中 R2 = 0.997) 和对数皮尔逊 III 型 (KRUC 中 R2 = 0.602) 适用于枯水期。正如干旱指数和多维降雨趋势评估所发现的那样，这种恶化是由于降雨不确定性造成的。混合 CDI 方法提高了干旱评估的准确性 (78–90%)，降雨、土壤湿度和陆地表面温度被确定为关键驱动因素。自 1990 年代末以来，干旱强度有所增加，并在 2006 年至 2010 年间达到峰值，这是由于季风变率和长期干旱所致。统计模型表明，低流量条件下降，对极端干旱的脆弱性增加，这凸显了对适应性水资源管理的需求。在这里，干旱变率和低流量可用性与区域降雨特征相关联。本研究发现，降雨长期呈下降趋势，2011 年后有部分恢复，这与干旱严重程度的减轻相对应。综上所述，气候变化加剧了水文极端事件并导致 KBUC 的不稳定，而 KRUC 保持相对稳定。

引言
河流流域作为一个水文单元发挥作用。在亚热带气候中，降雨是主要输入，通过流域特征进行处理，最终在流域出口处产生径流。上游流域是一个关键的水文区段，它通过中游流域将水从上游流域输送到下游流域 (Sahoo et al., 2022)。在洪峰陡涨的河流中，通常安装水库或梯级水库来控制突然的峰值流量并支持下游灌溉实践 (Zheng et al., 2021)。然而，上游流域往往缺乏可持续的水资源可用性和有效的管理实践，特别是在枯水期。该区域至关重要，因为它有助于维持下游原生水的持续流动。

亚热带河流流域的降雨特征调节流量体积、流量持续时间和整体河流生态系统 (Wang et al., 2017)。最近的研究考察了由气候变化和人类活动驱动的河流流量变化 (Skoulikaris and Karamanoli, 2025)。研究表明，改变流量制度会影响河道栖息地和原生物种 (Theodoropoulos et al., 2020)。气候变化威胁淡水生态系统并影响径流模式。由于极端降雨变率，可持续管理水资源变得越来越困难 (Hinegk et al., 2022)。气候引起的水文变化影响水资源的可用性并改变洪水干旱的频率。了解和适应这些流量变化对于有效的水资源管理和环境恢复至关重要 (Liu et al., 2024)。为了应对气候变化的影响，研究人员开发了各种方法来评估这些影响。环境流量 (E-flow) 评估是为此目的广泛采用的方法 (Mobley et al., 2012; Kumar et al., 2022)。它指的是维持河流沿线水生生态系统和基于河流的人类生活所需的水量。换句话说，环境流量体现了河流生态系统的数量和健康质量 (Zhao et al., 2018)。水文、水力、栖息地模拟和整体方法是常用于评估环境流量的方法 (Stamou et al., 2018)。在水文方法中，坦南特方法和流量历时曲线 (FDC) 被结合使用，近年来被几项研究采用。环境流量使用流量历时曲线作为参考来表征实际河流流量条件。研究识别了不同时间尺度上的流量赤字和盈余。例如，Mahmood 等人 (2024) 应用了坦南特方法、低流量指数、流量历时曲线分析和流量历时曲线移位方法来检测其研究期间的流量赤字。同样，Skoulikaris 和 Karamanoli (2025) 使用坦南特、Tessman 和全球环境流量计算器方法估计了环境流量。他们的研究结果表明，坦南特方法在干旱期产生的环境流量估计值较低，而 Tessman 和全球环境流量计算器方法更贴近自然径流曲线。因此，存在多种方法用于在不同气候情景下评估环境流量，每种方法都依赖于可靠流量曲线 (Alvarez-Garreton et al., 2023)。

最近的气候变率和不可预测性导致亚热带地区在空间和时间尺度上都出现了大幅度的降雨波动。这些条件为调节环境流量带来了重大挑战，特别是在水资源可用性低的时期 (Smakhtin et al., 2006)。由不均匀降雨和相关气候因素驱动的自然流量制度改变，可能导致长期干旱、河流径流减少和河流生态系统退化 (Mobley et al., 2012)。近几十年来，许多亚热带国家的干旱事件频率增加 (Prajapati et al., 2022)。连续几个月和季节的干燥期的累积影响，大大减少了下游的水资源可用性和供应 (Saini and Singh, 2024)。减少和调节的河流流量改变了流量路径并增加了河床沉积，可能导致在湿期发生河岸溢流。这些变化在当前和预测的气候条件下，对人类生计和农业实践构成了重大挑战 (Sheikh et al., 2022)。几项研究确定了气候变化情景下极端水文气候事件的风险增加。Giorgi 等人 (2014) 强调了向更强烈水文气候事件转变的制度，其中被确定为极端现象的是日益增加的热浪、更多的干燥日以及超过第 95 百分位的更频繁的高强度降雨事件。Krishna 和 Varjia (2026) 观察到由于非平稳降雨和温度极端值导致的气候风险上升。这些现象对环境质量、人类福祉和水资源的可持续性构成了重大威胁 (Deng et al., 2025)。除了气候变化外，大坝和水库的建设与运营也显著改变了水文流量特征。大坝操作导致的水文变率减少导致了栖息地丧失、动物同质化和生物多样性的显著下降 (Skoulikaris and Karamanoli, 2025)。

在最近的气候动态和潜在的未来变化下，低流量幅度的变化比高流量变率的变化更为明显。拥有大坝和水库的河流受到自然过程和人类活动的共同影响 (Gunawardana et al., 2021)。在一个河流流域中，自然水文气候特征完全影响上游地区，而下游地区经历的是一个受调节的环境。恢复自然流量模式对于维持淡水和河流生态系统可能是必不可少的 (Kumar and Jayakumar, 2022)。

流域水文学代表一个动态系统，气候变化进一步增加了其复杂性。水文气候特征调节河流流量，近年来，水文气候极端事件及相关不确定性已成为评估环境流量和水资源可用性的主要挑战。评估多维度影响及其潜在原因对于有效监测和可持续管理水资源至关重要。因此，需要进行全面的调查来评估水资源的可用性和需求，评估低流量特征，并阐明可能影响未来低流量条件的因果关系。在热带和亚热带地区，季风带来了约 80% 的年降雨量。然而，大部分地表径流未被利用，只有特定体积的水储存在水库运营的流域中。季风过后，一段长期的干燥期开始，称为枯水期。在此期间，储存的水库水主要用于维持河流流量。最近，由于季风的反复无常，枯水期水资源可用性的变率显著增加，对这一时期的水资源可用性产生了不利影响。因此，在变化的气候条件下，将周期性水资源可用性评估与环境水需求评估相结合至关重要。

由于季风的不确定性，降雨在印度东部查塔甘普尔地区的台地河流中变化显著 (Kanji and Das, 2025a)。这些河流的上游地区在 1990 年至 2010 年间经历了并发的气象和水文干旱 (Dash et al., 2019)。Dhar 和 Mazumdar (2009) 建议，几个气候参数在近期可能显示出增加的趋势。在该地区，3 个月干旱的影响比其他干旱尺度更为明显 (Bera and Dutta, 2024)。随后的干旱期、降雨模式的不确定性、夏季极端高温和极少的夏季降雨，对丘陵东坡的水资源可用性产生了显著影响 (Khan et al., 2025)。最近关于水文气候变化、极端气候条件和遥相关的研究表明确需进行全面调查。本研究应评估环境流量、水资源可用性以及气候变化对水资源的影响，以支持水资源管理并帮助缓解极端灾害。在这里，我们旨在 i) 揭示水气象趋势、环境水供需要求以及水库入库和出库流量的可靠流量可用性，ii) 调查气象和水文水资源压力期、持续时间、强度及其对地表水资源的影响，iii) 识别长期水文变率对水库入库流量的影响并评估时间流量变率，以及 iv) 确定在最近气候动态下近期的低流量概率。这一综合框架纳入了环境可持续性的多个维度，以评估流域水文动态中因果关系的全部范围。我们的深入研究旨在为决策者提供关于水资源可用性的关键见解，使他们在枯水期和季风期都能做出明智的选择。这种方法将有助于可持续地管理地表水资源。此外，它可能加深人们对水文变率、水资源可用性和水资源供应之间关系的理解。通过从水文角度检查水资源压力和低流量概率，我们可以增强专注于环境可持续性的决策支持系统。

章节片段
研究区域
在亚热带查塔甘普尔高原的东坡，康萨巴蒂河和科纳尔河是恒河重要的右岸分流河。位于印度西孟加拉邦普鲁利亚县的康萨巴蒂上游流域 (KBUC) 拥有发达的排水系统，覆盖面积为 3607 km2 (图 1a)。位于印度贾坎德邦的科纳尔上游流域 (KRUC) 是达莫达尔河的一条重要支流 (图 1b)。渠道坡度可忽略不计，表明主流路径沿缓坡分布。

环境流量与地表水动态
本研究使用坦南特和流量历时曲线方法估计 KBUC 和 KRUC 的环境流量，将其分别应用于季风和枯水期的入库和出库流量。在季风季节，估计 KBUC 地区的入库 SMF 为 111.69 m3/s，而出库 SMF 为 317.18 m3/s。在这里，由于湿季释放储存的水，径流超过了入库流量。在枯水期，上游和下游的水资源可用性差异很大。在此期间，SMF 为 30.01 m3/s。

时空环境水动态
维持最小河流流量支持水生生物多样性，改善水质，并确保淡水生态系统的可持续管理 (Liu et al., 2024)。应用和评估环境水资源可用性、低流量统计和观测水文条件对地表水资源，有助于实现可持续发展目标 6, 13-15 (Alvarez-Garreton et al., 2023)。本研究使用坦南特和流量历时曲线方法考察 KBUC 和 KRUC 的时空环境流量动态。KBUC 的 Mukutmanipur 大坝，

结论
近年来，水文气候模式的变化改变了流域水资源的可用性并增加了极端事件的频率。本研究全面评估了环境流量、水资源可用性和长期水文气候变率对水资源的影响，以实现有效的流域管理。在本研究中，坦南特方法、Q75 和 Q90、水气象干旱指数、低流量统计和几个水文变率指标应用于两个上游流域。

数据可用性
合理的请求下可提供数据。

资助
手稿准备未获得任何财政支持。

附录 A
补充数据

作者贡献声明
Sribas Kanji, Subhasish Das: 概念化，方法论，可视化；Sribas Kanji: 数据整理，调查，形式分析，验证，写作 - 初稿；Subhasish Das: 写作 - 审查与编辑，资源，监督。

未引用参考文献
Mozloomi et al., 2025, Vaikoden et al., 2025, Wang et al., 2016, Yadav, 2025

CRediT 作者贡献声明
Sribas Kanji: 写作 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。

Subhasish Das：写作 – 审阅与编辑、可视化、监督、资源、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。
致谢
第一作者感谢印度大学拨款委员会授予的研究奖学金。
Sribas Kanji | Subhasish Das
Sribas Kanji，水资源工程学院高级研究员，贾达普大学，印度西孟加拉邦加尔各答 700032